光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的激光調(diào)制方案

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
, s: G4 z( J4 ]# S  F" _( d隨著硅晶體管縮放接近極限，研究人員正在探索新技術(shù)以繼續(xù)提高處理器性能和效率。有前途的方向是使用片上光學(xué)網(wǎng)絡(luò)（也稱為光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)或光學(xué)NoC）來替代傳統(tǒng)的電氣互連。與電氣網(wǎng)絡(luò)相比，光學(xué)NoC在帶寬、延遲和功耗方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。然而，有效管理光學(xué)NoC的功耗帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。
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: a$ z8 B, b+ m3 v本文將探討用于最小化光學(xué)NoC靜態(tài)功耗的激光調(diào)制方案。我們將介紹基于網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)制激光功率的關(guān)鍵概念、架構(gòu)和預(yù)測(cè)技術(shù)。
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1 n5 U8 E# O, e# L
背景
" d* m* ^7 N% n# Z0 l光學(xué)NoC使用光來傳輸芯片上組件之間的數(shù)據(jù)�；�本構(gòu)建模塊包括：
& J7 f4 o6 Y- Y2 ^' I

激光器：光源，可以是片外或片上

調(diào)制器：將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)

波導(dǎo)：在芯片上引導(dǎo)光

光電探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)
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光傳輸本身非常高效，但產(chǎn)生光的激光器消耗大量功率。一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光子不能像電荷那樣容易存儲(chǔ)。這意味著激光器通常需要持續(xù)供電，即使不主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)也是如此。這種靜態(tài)功耗可能占光學(xué)NoC總功耗的80-90%。

' v$ V4 G# j" ^2 G" [1 L為解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了激光調(diào)制方案，旨在根據(jù)預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率。一般方法包括：

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)指標(biāo)

預(yù)測(cè)未來活動(dòng)

相應(yīng)調(diào)整激光功率

重新配置網(wǎng)絡(luò)
* o) [& k7 L, x* `, p9 y( U( v! @. W
讓我們看看為不同類型處理器提出的一些具體方案。

/ ^9 V. {  q, S多核CPU設(shè)計(jì)中的激光調(diào)制方案
5 L: O9 N. \+ T1 b$ h7 WProbe
最早提出的激光調(diào)制方案之一是Probe。使用64核架構(gòu)，核心分組為4x4塊。每個(gè)塊都有專用的片外激光器，可以使用單寫多讀（SWMR）總線廣播消息。
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/ Z% @6 d+ o' T6 p$ q  oProbe根據(jù)鏈路利用率和緩沖區(qū)利用率指標(biāo)預(yù)測(cè)未來活動(dòng)。使用兩種類型的預(yù)測(cè)器：

用于低流量變化：過去和當(dāng)前利用率的加權(quán)平均

用于高變化：由利用率水平索引的模式歷史表
, C- v- ~7 y, r6 e[/ol]
1 h  s3 _4 T8 ~3 d( q+ b: l/ ~錦標(biāo)賽預(yù)測(cè)器根據(jù)最近的準(zhǔn)確性在兩者之間選擇。

! r! q. R9 J" w, x7 u2 G) u# EColdBus
ColdBus采用不同的方法，基于L1緩存未命中預(yù)測(cè)活動(dòng)。關(guān)鍵洞察是在共享內(nèi)存系統(tǒng)中，大部分網(wǎng)絡(luò)流量來自L1未命中。
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使用類似于分支預(yù)測(cè)器的基于PC的預(yù)測(cè)器來識(shí)別可能導(dǎo)致未命中的指令。然后，一個(gè)時(shí)期預(yù)測(cè)器估計(jì)這些未命中何時(shí)發(fā)生。

ColdBus還引入了一個(gè)"額外波導(dǎo)"，為需要的站點(diǎn)提供應(yīng)急功率。
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; [8 K5 x2 \5 [* t8 N8 O1 v+ {PShaRe
PShaRe在之前工作的基礎(chǔ)上有幾個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新：

一致性和非一致性流量的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預(yù)測(cè)器

站點(diǎn)之間的功率共享

重用浪費(fèi)的光功率進(jìn)行熱調(diào)諧
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圖1顯示了整體架構(gòu)：

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圖1：PShaRe架構(gòu)，顯示連接光學(xué)站點(diǎn)的功率和數(shù)據(jù)波導(dǎo)。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器使用14個(gè)性能計(jì)數(shù)器輸入，對(duì)每個(gè)站點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)期的活動(dòng)進(jìn)行二元預(yù)測(cè)。
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BigBus
7 @! ?! \1 k7 X對(duì)于非常大的核心數(shù)（500+），需要像BigBus這樣的設(shè)計(jì)。BigBus使用分層架構(gòu)，將塊簇組成更大的單元。
( n) T( D( _: l  v3 l
圖2說明了BigBus設(shè)計(jì)：
( G* |! [  ^2 R# X9 c0 k5 A

圖2：BigBus架構(gòu)，顯示由蛇形光鏈路連接的核心和緩存庫的分層組織。
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BigBus使用兩階段預(yù)測(cè)過程：

每個(gè)站點(diǎn)根據(jù)等待時(shí)間和待處理事件決定是否增加/減少令牌

激光控制器將當(dāng)前預(yù)測(cè)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
/ D: q" i2 K1 g# p- ][/ol]
這允許在當(dāng)前條件的響應(yīng)性和穩(wěn)定性之間取得平衡。
" b' x( [5 G5 V4 ?$ k  c

多插槽系統(tǒng)（MULTI-SOCKET SYSTEMS）中的激光調(diào)制方案
對(duì)于像服務(wù)器這樣的多芯片系統(tǒng)，像Nuplet這樣的設(shè)計(jì)將光網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到插槽之間。Nuplet同時(shí)使用片內(nèi)和片間光網(wǎng)絡(luò)。
$ c7 ^, y# f4 Y3 p/ [1 ]
片間預(yù)測(cè)機(jī)制旨在確定要流通的仲裁令牌數(shù)量。它考慮：

發(fā)送到片間光學(xué)站（ICOS）的消息

ICOS隊(duì)列中的待處理事件
! _: H4 B9 b+ u[/ol]
& k; [- D3 r: m) o( t( g9 @. p2 @功率請(qǐng)求表（PRT）存儲(chǔ)歷史令牌計(jì)數(shù)。預(yù)測(cè)將PRT值與當(dāng)前流量趨勢(shì)和隊(duì)列狀態(tài)結(jié)合。
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, n, G1 W" t' B, D. Q  n3 ZGPU設(shè)計(jì)中的激光調(diào)制方案
由于GPU側(cè)重于內(nèi)存帶寬而非延遲，因此帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。GPUOpt設(shè)計(jì)將光學(xué)NoC適配于GPU架構(gòu)。
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: }1 M  \: X! H& L/ D$ v+ g圖3顯示了GPUOpt的整體架構(gòu)：

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圖3：GPU光學(xué)NoC的架構(gòu)，顯示由光網(wǎng)絡(luò)連接的SM和LLC集群。
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# {$ N& C" }6 N3 V* lGPUOpt對(duì)流式多處理器（SM）站點(diǎn)和最后級(jí)緩存（LLC）站點(diǎn)使用不同的預(yù)測(cè)機(jī)制：
  H; f1 C! A7 C1. SM站點(diǎn)使用基于以下因素的受限預(yù)測(cè)器（Restr_Pred）：

接收的消息

發(fā)送的消息

等待時(shí)間
+ E: P. o' B, e) X1 `" c6 Y
: B1 p2 s7 j% [) k* g2. LLC站點(diǎn)使用考慮以下因素的靈活預(yù)測(cè)器（Flex_Pred）：
  P+ T5 F. p  H; @" m+ `6 O

接收的消息

發(fā)送的消息

待處理事件

激光控制器將這些預(yù)測(cè)結(jié)合起來，確定整體功率需求。

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關(guān)鍵概念和趨勢(shì)
: `" i: S3 w" @1 Z雖然具體方案各不相同，但一些共同主題和最佳實(shí)踐浮現(xiàn)出來：

1.將時(shí)間劃分為固定時(shí)期進(jìn)行預(yù)測(cè)和重新配置
$ }. ^1 j% y8 Q) I2. 使用多個(gè)輸入指標(biāo)：
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網(wǎng)絡(luò)利用率

緩沖區(qū)占用率

緩存未命中率

指令類型

待處理事件
3. 將當(dāng)前指標(biāo)與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合
4. 使用非線性預(yù)測(cè)函數(shù)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）捕捉復(fù)雜關(guān)系
5. 對(duì)不同流量類型進(jìn)行單獨(dú)預(yù)測(cè)（如一致性與非一致性）
0 Q6 P' E( p; O7 R3 s7 c+ \6. 分層設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性
( W. U/ w! Q7 I# ~/ p7. 盡可能重用未使用的光功率
$ k+ l! S4 v9 M) j# g, d8. 為特定架構(gòu)經(jīng)驗(yàn)性地調(diào)整預(yù)測(cè)參數(shù)

2 K4 W" v* A* h2 f1 ?9 x7 d# E4 s7 y圖4說明了有效激光調(diào)制可能帶來的功率節(jié)�。�


5 T, t0 m7 ?  h% |& \圖4：ideal、Probe和ColdBus方案在各種基準(zhǔn)測(cè)試中的相對(duì)激光功耗。

* U& {2 E/ m; j$ j0 E
7 L, W& X7 |6 N" e8 f$ ?未來方向
隨著光學(xué)NoC從研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H實(shí)施，可以期待這些技術(shù)的進(jìn)一步完善。方向包括：

用于更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

與應(yīng)用層知識(shí)的集成

在運(yùn)行時(shí)調(diào)整參數(shù)的自適應(yīng)方案

考慮電氣和光網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)化

針對(duì)新興工作負(fù)載（如AI加速）的專門化


結(jié)論
有效的激光調(diào)制對(duì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)片上網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)非常重要。通過準(zhǔn)確預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)并相應(yīng)調(diào)整激光功率，可以在保持性能的同時(shí)最小化靜態(tài)功耗。隨著處理器架構(gòu)繼續(xù)發(fā)展，激光調(diào)制方案需要適應(yīng)新的設(shè)計(jì)約束和流量模式。該領(lǐng)域的持續(xù)研究有望為未來計(jì)算系統(tǒng)解鎖新的能效水平。


參考文獻(xiàn)
: J% t3 G, \* h[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
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